高寒高海拔地区人工湿地处理效果分析及建议
摘要：人工湿地因具有净化质量好、建设运行耗费少、运行流程简单、操作便利等一系列优点，受到国际社会的广泛关注，并大面积推广试用。但由于受设计、建设、运行等诸多客观因素的影响，人工湿地运用效果参差不齐。基于此，以岗巴县污水处理厂为例，分析了高海拔地区湿地系统运行中存在的主要问题，并针对性地提出4项优化措施，即人工湿地结构选择、运行操作、保温隔离、预处理措施，旨在保障人工湿地在高寒高海拔地区的正常运行，并为今后高寒高海拔地区污水处理厂提质增效改造提供借鉴。
人工湿地是在现行技术条件下，通过人工设计和建造的成规模，且建立现代工程化运作系统的新一代污水处理工艺，其特点在于通过建立一套复合生态系统，利用基质、植物与微生物等相关物质，能有效强化自然湿地自净能力，达到优化水质的目的[1]。近年来，随着城市进程的不断加快，西藏等高寒高海拔地区城市生活污水排放的总量呈日益上升的趋势，人工湿地作为高效、低能耗新型生态污水处理工艺，在我国高寒缺氧地区的应用逐渐得到重视。但受季节、气温等因素影响，人工湿地运行效果参差不齐，进而限制了其在西藏等高寒高海拔区域的推广应用。在欧洲，已建成并正常运转的人工湿地污水处理工程数量高达5万座，在北美，也建成并运行的人工湿地污水处理工程数量超过1万座[2-3]。我国于1987年建设了首座人工湿地并投入运行，不仅大幅提高了我国人工湿地设计水平，而且相关的理论研究也日益成熟。但人工湿地在设计、建造、操作等方面存在亟待解决的问题，特别是在冬季低温问题上，还未形成可靠的应对方案。西藏等高寒地区环境较为恶劣，除了需要解决低温环境问题，还需兼顾解决缺氧问题。
发挥人工湿地的功能，再结合各工艺工段之间的物理、化学和生化反应及其交互作用，达到净化水质的目标。其中，物理反应的作用是提供杂质及污染物的过滤、沉积功能，主要通过湿地的基质层、植物系统对流入的污水进行悬浮物处理，实现过滤、截留和沉积，达到一定的水质净化效果[4]。高寒缺氧地区气候具有常年保持较低平均气温、气温变化宽度大、含氧量低等特征，使得人工湿地系统在消除氮、磷等污染物质时，会明显受到低温、缺氧条件的影响[5-6]。
1高海拔地区污水处理厂项目概况
污水处理厂位于西藏自治区岗巴县岗巴镇西南侧，欧珠路以南1km，2020年10月15日开工建设，项目概算总投资3353.89万元，全部申请国家资金，2021年10月15日竣工。近期设计规模1000m3/d，远期达到1500m3/d；采用“预处理+氧化塘（沟）+沉淀池+人工湿地+紫外消毒”相结合的污水处理工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准；污泥处理采用脱水（减量化）处置，在厂区设置自然污泥干化床，污泥干化后运至县城填埋场进行填埋。新建污水管网合计15.219km，管材均采用中空壁塑钢缠绕聚乙烯管（HDPE管），服务人口至2030年为11500人（均考虑人口增加趋势和工业用水量）。人工湿地采用钢筋混凝土挡墙，池底采用复合土工膜，上部阳光房采用轻钢框架结构，阳光房采用文洛式三尖玻璃温室进行保温，温室北侧设计为砖墙，其余三侧采取双层保温玻璃（见图1）。
岗巴县污水处理厂主体工艺流程为：①污水：进水→格栅及调节池→氧化塘（沟）→沉淀池→潜流人工湿地→紫外线消毒→出水计量→达标排放；②污泥：沉淀池剩余污泥→污泥池→污泥自然干化床→外运。
1.1污水系统
新建构建筑物有粗格栅间、调节池及提升泵池、细格栅及沉砂车间、污水综合处理车间、湿地进水井、人工湿地、紫外消毒渠、巴氏计量槽、变配电室及加药间、进出水检测间、污泥堆棚。其中，湿地进水井、人工湿地和污水综合处理车间设计规模为3000m3/d，其余构建筑物设计规模均为6000m3/d。
1.2污泥处理系统
新建构建筑物有储泥池、污泥脱水机房，近期接收3000m3/d的曝气、混合、反应沉淀池的剩余污泥和沉淀污泥，远期再接收3000m3/d的曝气、混合、反应沉淀池的剩余污泥和沉淀污泥。
2高海拔地区湿地系统运行中存在的主要问题
2.1COD处理效果分析
人工湿地系统对废水中COD的去除机制有吸附、吸收和生物降解的作用。在系统设计时加入了大量根系类植物，能够吸附、沉淀和截留各类不溶有机物。同时，在运行过程中出现大量植物生长和微生物繁殖，逐步积累并构成了一层基质生物膜，将促进不溶有机物的降解；而对于可溶有机物的去除，主要依靠根系吸附、微生物代谢等作用[7-8]。
由图2～图5、表1可知，在7月整体温度偏高，且极端温差小的情况下，COD去除率较高且稳定，基本维持在51.4%～76.2%；在5月整体温度较低，极端温差大且极端低温较低的情况下，COD去除效果差异明显，去除率低至4.35%。由此可见，温差变化小的情况下，COD去除效果相对稳定，此阶段是微生物繁殖期，植物生长较快，而极端温差这一因素对COD去除效果影响最为明显。
2.2NH3-N处理效果分析
人工湿地对氨氮的去除与总氮去除过程具有较多相同点。一部分是利用植物和基质的作用，实现对污染物的吸附和过滤，另一部分是利用微生物生化反应，氮元素作为促进植物生长的重要参与元素，含量一般都较高，能通过微生物进行降解去除。而在人工湿地环境中，利用硝化菌的硝化反应能够分解氨氮，并让二者生成NO2-和NO3-，然后又协同利用反硝化细菌分解硝酸盐。如果处在低温条件下，硝化菌和反硝化菌都失去了适宜的生存环境，导致活性降低，造成湿地去除效率降低。
由图3～图6、表1可知，除去6月、7月NH3-N去除率波动较小外，5月、8月波动幅度均较大，NH3-N去除率波动范围在4.76%～84.40%。分析可能是由于气候原因影响了植物生长，导致湿地NH3-N处理效果不稳定，当植物生长旺盛时能保持较好的处理效果。
2.3TP处理效果分析
人工湿地对总磷的去除类型主要为吸附和过滤。由图2～图5、表1可知，在5月极端低温较低或气温逐渐回升的情况下，湿地系统对TP去除效果相对较小，月平均温度差较小的8月，TP去除率较高，且稳定维持在39.4%～66.0%。分析可能由于气温回升，且昼夜温度相较于之前较为稳定，植物生长旺盛，对磷的吸收增加，能有效去除水中的无机磷酸盐，因而影响了处理效果。
2.4TN处理效果分析
人工湿地对总氮的去除机理主要包括植物吸收、氨化、反硝化和沉淀4个方面。人工湿地系统由于植物根系作用，会导致周围氧环境发生变化，形成好氧、缺氧和厌氧的状态，从而让氮磷被系统中的植物或微生物吸收，又能利用硝化、反硝化进行去除，然后再通过填料或植物更换达到去污的目的。在5月极端低温较低情况下，TN整体去除率波动较大，在13.8%～85.9%之间，但相较COD、NH3-N、TP，TN去除率受温度影响相对较小。
3高寒高海拔地区人工湿地优化建议
3.1人工湿地结构选择
高寒高海拔地区气候条件较为恶劣，湿地类型的选择既要充分考虑到当地的气候、土壤和水文条件，又要考虑处理效果、运行成本、维护难度等因素，科学选择湿地类型，如浅水湿地、沼泽湿地等。同时，推广采用温室人工湿地、太阳能加热人工湿地等新型湿地处理工艺。①温室人工湿地：在人工湿地上建造温室，利用温室效应提高水温，促进微生物的生长和代谢，从而提高水质净化效果。②太阳能加热人工湿地：利用太阳能加热水体，提高水温，促进微生物的生长和代谢，提高水质净化效果。③人工湿地—生物滤池联合处理工艺：将人工湿地和生物滤池相结合，利用两者的优势互补，提高水质净化效果。④人工湿地—人工气浮法联合处理工艺：将人工湿地和人工气浮法相结合，利用气浮法的气泡作用，促进水体中悬浮物的沉降和去除，提高水质净化效果。⑤人工湿地—植物滤池联合处理工艺：将人工湿地和植物滤池相结合，利用植物的吸收作用和微生物的降解作用，提高水质净化效果。
针对高寒缺氧地区的特殊情况与要求，为确保人工湿地正常运行，并发挥预期作用，潜流人工湿地因具有独特的优势成为首选。建议在选择结构时，可咨询专业的环保公司或工程师，并进行详细的工艺评估和工艺设计。
3.2人工湿地运行操作
在西藏等高寒缺氧地区，人工湿地普遍采取周期间歇式运行的技术路线，解决湿地溶解氧传递的问题，进而达到稳定去除污染物的目标。高寒高海拔地区人工湿地的运行操作需要注意以下5点。
3.2.1冬季保护。高寒高海拔地区冬季气温低，容易出现冻结现象，可在人工湿地进水口位置设置加热设备，保持水体温度相对稳定，防止水体结冰。
3.2.2水位控制。高寒高海拔地区降雨量较少，水资源较为宝贵，可在人工湿地中设置水位计和自动控制系统，实现人工湿地水位控制的自动化和合理化。
3.2.3滤材更换。若所在地区水质污染较为严重，滤材易被污染物堵塞，可根据实际情况更换滤材，确保污水处理效果。
3.2.4设备维护。高寒高海拔地区气候条件恶劣，相关设备容易受到损坏，应定期检查和维护设备，及时发现和解决问题。
3.2.5监测和调整。高寒高海拔地区水质变化较为复杂，可通过设置监测系统定期监测水质，及时发现问题并进行调整。
3.3人工湿地保温隔离
在西藏等高寒缺氧地区，人工湿地对污染物的去除受温度影响较大，需要采用保温措施：
3.3.1土壤覆盖。在人工湿地表面覆盖一层土壤，能有效隔离湿地内部和外部的温度差异，保持湿地内部温度相对稳定，同时，土壤还可以起到过滤和吸附污染物的作用。
3.3.2植被覆盖。在人工湿地表面种植一些适应当地气候条件的植物，可以形成一层植被覆盖，既能起到保温隔离的作用，又能吸收和净化水中的污染物。
3.3.3隔离层。在人工湿地的底部和周围设置一层隔离层，能有效隔离湿地内部和外部的温度差异。隔离层可采用泡沫塑料、聚乙烯膜等材料，具有良好的保温隔离效果。
3.3.4加热设备。在人工湿地进水口处设置电加热器、太阳能加热器等加热设备，可以保持水体温度相对稳定，防止水体结冰。
将上述措施应用于西藏等常年低温低氧且昼夜温度差大的地区，无法完全发挥在湿地系统的功能，甚至有可能造成湿地系统无法正常运行。因此，这些地区的人工湿地设计应系统解决高寒、缺氧等问题。同时，立足于西藏等高寒高海拔地区的实际情况，如纬度低、太阳辐射充足、空气污染指数低等，充分利用太阳能，并结合农业保温技术，构建一个稳定性高的半封闭生态小环境，以满足人工湿地系统正常运行的温度需求和溶解氧含量要求等。
3.4人工湿地预处理措施
西藏等高寒缺氧地区由于独特的地理区位与气候环境，不同程度地削弱了人工湿地植物净化机能、微生物活性。因此，设计人工湿地系统时应预先规划应对处理方案，确保人工湿地能在该区域全季节运行，且达到预期去污效果。目前，处理方案主要涉及污水进入人工湿地前的增温、提高氧含量、悬浮固体沉淀等，以提高污水可生化性，并创造有利的环境，增强微生物繁殖能力，从而提升人工湿地环境整体污水净化效能。具体方法包括增设太阳能调节池、厌氧消化池及配套构筑物。同时，高寒高海拔地区人工湿地处理还存在一些技术难题，还需加强研究，探索适合当地环境条件的人工湿地处理技术和工艺，从而提高人工湿地的处理效果和水质净化能力。
4结语
在寒冷地区推广应用人工湿地的关键限制因素为温度。有鉴于此，在建设人工湿地污水处理工程时，需要考虑实地结构选择、运行操作要点、保温隔离和实地前预处理等内容，开发出适宜于这些地区适用的复合垂直流人工湿地相结合的模式。通过实施通风或人工复氧等技术方案，显著强化了污水复氧速度与效率，既能保障湿地成功越冬，又能始终维持较好的污水处理效果。
以岗巴县污水处理厂为例，根据区域环境与条件开发与应用的水平潜流人工湿地工艺，实现了稳定运行，且取得了良好的污水处理效果，在工程建造费用、维护便利性、适应性等方面具有优势，适用于技术管理水平要求较低、污水处理量较小的城镇或乡村地区，在西藏等高寒高海拔地区具有较高的推广意义和实践价值。
